Come sapete ho già parlato di alcuni di questi progetti
sul genoma umano, su cosa possa significare
e sulla scoperta di nuovi set di geni.
Ora stiamo iniziando un nuovo percorso:
abbiamo iniziato a digitalizzare la biologia
e ora a partire da quel codice digitale
stiamo entrando in una nuova fase della biologia,
progettando e sintetizzando vita.
Abbiamo sempre cercato di porre grandi domande.
"Cos'è la vita?" è qualcosa che molti biologi
credo abbiano tentato di capire
a vari livelli.
Abbiamo provato diversi approcci,
riducendola ai minimi termini.
Stiamo digitalizzando da quasi 20 anni ormai.
Quando abbiamo sequenziato il genoma umano
si trattava di passare dal mondo analogico della biologia
al mondo digitale del computer.
Ora ci chiediamo: possiamo rigenerare la vita,
o creare nuova vita
da questo universo digitale?
Questa è la mappa di un piccolo organismo,
il Mycoplasma genitalium,
che è la specie dal genoma più piccolo tra quelle
che possono autoreplicarsi in laboratorio.
E abbiamo provato a ridurre ulteriormente
il genoma per crearne uno ancora più piccolo.
Siamo in grado di eliminare un centinaio di geni
dei circa 500 che sono qui.
Ma quando diamo un'occhiata alla sua mappa metabolica,
è relativamente semplice
rispetto alla nostra.
Credetemi, questo è semplice.
Ma quando guardiamo a tutti i geni
che possiamo eliminare, uno alla volta,
è molto improbabile che questo possa portare
ad una cellula vivente.
Quindi decidemmo che l'unica via per progredire
fosse sintetizzare questo cromosoma
in modo da poterne modificare le componenti
per porre alcune di queste domande fondamentali.
E quindi abbiamo iniziato l'avventura del
"Possiamo sintetizzare un cromosoma?"
Può la chimica consentire di produrre
queste grandi molecole
che non siamo mai riusciti a creare prima d'ora?
E, in caso affermativo, possiamo far funzionare un cromosoma?
Un cromosoma è semplicemente un pezzo di materiale chimico inerte.
La velocità con cui siamo in grado di digitalizzare la vita sta crescendo
a ritmo esponenziale.
La nostra capacità di scrivere il codice genetico, invece,
progredisce piuttosto lentamente,
ma sta migliorando.
E i nostri più recenti risultati la portano su una curva esponenziale.
Abbiamo incominciato più di 15 anni fa.
Il processo ha richiesto molti passaggi,
iniziando con una revisione bioetica prima che iniziassimo i primi esperimenti.
Ma abbiamo scoperto che sintetizzare del DNA
è molto difficile.
Ci sono decine di migliaia di macchine al mondo
che producono piccoli segmenti di DNA,
della lunghezza di 30 a 50 lettere
ed è un processo degenerativo: più il segmento è lungo,
più errori ci sono.
Abbiamo quindi dovuto sviluppare un nuovo metodo
per assemblare questi frammenti e correggere gli errori.
E questo è stato il nostro primo tentativo, a partire da informazione digitale
del genoma di Phi X 174.
E' un piccolo virus che uccide batteri.
Abbiamo progettato i frammenti, effettuato la correzione degli errori
e ottenuto una molecola di DNA
di circa 5000 lettere.
La parte interessante è quando abbiamo preso questo pezzo di materiale chimico inerte
e lo abbiamo inserito nei batteri,
i batteri hanno incominciato a leggere questo codice genetico
e a produrne le particelle virali.
Le particelle virali sono poi state rilasciate dalle cellule,
sono tornate indietro e hanno distrutto gli E. coli.
Ho parlato di recente con membri dell'industria petrolifera
dicendogli che loro che hanno certamente compreso questo modello.
(Risate)
Loro hanno riso più di voi.
Crediamo che questa sia una situazione
in cui il software può davvero costruire il suo stesso hardware
in un sistema biologico.
Ma volevamo fare le cose più in grande.
Volevamo costruire l'intero cromosoma del batterio.
Sono più di 580 mila lettere di codice genetico.
Quindi abbiamo pensato di costruirlo in cassette della dimensione dei virus,
così da poter cambiare le cassette
per capire
quali siano i componenti di una cellula vivente.
La progettazione è cruciale,
e se iniziamo con informazioni digitali in un computer,
queste devono essere molto accurate.
Quando sequenziammo questo genoma per la prima volta nel 1995
l'accuratezza standard era di un errore per ogni 10 mila basi.
Abbiamo scoperto, risequenziandolo,
30 errori. Se avessimo usato quella sequenza originale
non saremmo mai stati in grado di farlo funzionare.
Una parte del processo è progettare segmenti
lunghi 50 lettere
che si sovrappongano con tutti gli altri segmenti di 50 lettere
per costruire sottounità più piccole
che lavorino insieme.
Progettiamo elementi unici qui.
Probabilmente avete letto che ci inseriamo della filigrana.
Pensatela così:
abbiamo un codice genetico basato su quattro lettere: A, C, G e T.
Tre di quelle lettere messe insieme
codificano circa 20 amminoacidi,
e c'è uno specifico ordine di lettere
per ogni amminoacido.
Quindi possiamo usare il codice genetico per scrivere parole,
frasi, pensieri.
Quello che abbiamo fatto all'inizio è stato autografarlo.
Alcuni sono stati delusi dal fatto che non fosse poesia.
Abbiamo progettato questi segmenti per
poterli semplicemente unire con enzimi.
Ci sono enzimi che li riparano e li mettono assime.
E abbiamo iniziato ad assemblare delle parti,
iniziando con segmenti da 5 a 7 mila lettere,
unendoli in modo da formare segmenti di 24 mila lettere
uniti a loro volta fino ad arrivare a 72 mila lettere.
Ad ogni passo abbiamo prodotto questi segmenti in abbondanza
così da poterli sequenziare
dato che stiamo tentando di creare un procedimento estremamente robusto--
come vedrete in un minuto.
Stiamo cercando di automatizzare il processo.
Dunque, questo sembra il tabellone di un playoff di basket.
Quando arriviamo a questi segmenti molto lunghi,
più di 100 mila basi,
non cresceranno più direttamente nell'E. coli.
Si arriva al limite degli strumenti moderni della biologia molecolare.
Quindi abbiamo considerato altri meccanismi.
Sapevamo di un altro meccanismo chiamato ricombinazione omologa,
che in biologia si utilizza per riparare il DNA
in grado di unire i segmenti.
Ecco un esempio.
Questo organismo, chiamato
Deinococcus radiodurans,
può assorbire tre milioni di rad di radiazione.
Potete vedere nel riquadro superiore come il suo cromosoma venga distrutto.
In 12 - 24 ore viene riassemblato
esattamente come era prima.
Esistono migliaia di organismi che sono in grado di farlo.
Questi organismi si possono seccare completamente.
Possono vivere sotto vuoto.
Sono assolutamente certo che la vita esista nello spazio,
e si sposti per trovare nuovi ambienti ricchi di acqua.
A dire il vero, la NASA ha mostrato che questo avviene.
Questa è un'immagine della molecola che abbiamo costruito
usando questi processi, semplicemente usando il lievito
con il design appropriato dei segmenti da inserire.
Il lievito li assembla automaticamente.
Questa immagine non è stata scattata con un microscopio elettronico,
ma con un microscopio regolare.
E' una molecola talmente grande che
riusciamo a vederla con un microscopio leggero.
Queste sono foto che coprono un periodo di circa sei secondi.
Questa è la pubblicazione che abbiamo fatto poco tempo fa.
Sono più di 580,000 lettere di codice genetico.
E' la molecola più grande di una struttura definita mai creata dall'uomo.
Ha un peso molecolare superiore a 300 milioni.
Se lo stampassimo con un carattere 10 senza spazi,
ci vorrebbero 142 pagine
solo per trascrivere questo codice genetico.
Ora, come lo facciamo funzionare? come possiamo attivarlo?
Ovviamente, tramite un virus è un gioco da ragazzi.
E' un po' più complicato quando si usano dei batteri.
E' più semplice anche quando si tratta
di cellule eucariote come le nostre:
puoi semplicemente estrarne il nucleo
ed inserirne un altro,
che è praticamente il processo di clonazione.
Nel batterio archaea il cromosoma è invece integrato dentro alla cellula,
ma abbiamo recentemente dimostrato che siamo in grado di fare un trapianto completo
di un cromosoma da una cellula ad un'altra
e di attivarlo.
Abbiamo purificato un cromosoma partendo da una specie microbiale.
I due sono diversi quanto gli uomini dai topi.
Abbiamo aggiunto qualche gene in più
in modo da poter decidere quale scegliere per questo cromosoma.
L'abbia poi sciolto con gli enzimi
in modo da uccidere tutte le proteine.
E quando l'abbiamo messo nella cellula è stato stupendo--
e apprezzerete
il nostro grafico sofisticato--
il nuovo cromosoma è andato dentro alla cellula.
E inizialmente pensavamo che non potessimo andare oltre,
ma abbiamo provato comunque a spingerci più in là.
Questo è uno dei maggiori meccanismi di evoluzione.
Abbiamo scoperto che tantissime specie
hanno aggiunto un secondo o un terzo
cromosoma da qualche parte,
aggiungendo in un secondo migliaia
di nuovi tratti a quella specie.
Dunque chi pensa all'evoluzione
come un solo gene alla volta che si modifica
non ha capito gran parte della biologia.
Esistono degli enzimi chiamati 'enzimi di restrizione'
che addirittura digeriscono il DNA.
Il cromosoma che era nella cellula
non ne possiede uno.
La cellula--il cromosoma che abbiamo inserito--ce l'ha.
Si è espresso, e ha riconosciuto
l'altro cromosoma come materiale estraneo,
l'ha masticato, e ci siamo ritrovati
con solo la cellula e il nuovo cromosoma.
è diventato blu a causa dei geni che abbiamo inserito.
E in un breve lasso di tempo,
tutte le caratteristiche di una specie sono andate perse,
e si è trasformato del tutto in una nuova specie,
basato sul nuovo software che abbiamo inserito nella cellula.
Tutte le proteine sono cambiate,
le membrane sono cambiate,
e quando leggiamo il codice genetico equivale esattamente a ciò che vi abbiamo trasferito.
Ora, questo potrebbe sembrare alchemia genetica,
ma alterando il software DNA possiamo
cambiare le cose in maniera abbastanza sostanziale.
Ora, ho già spiegato che qui non si parla di genesi --
ma di progresso a partire da tre milioni di anni e mezzo di evoluzione,
e ho già detto che forse stiamo per
creare una nuova versione dell'esplosione Cambriana
in cui verranno create nuove specie
basate su questo processo digitale.
Perchè fare ciò?
Penso che sia abbastanza ovvio quando pensiamo alle nostre necessità.
Stiamo per passare da sei miliardi e mezzo di persone
a 9 miliardi nei prossimi 40 anni.
Giusto per dare un esempio:
io sono nato nel 1946.
Ora ci sono tre persone sul pianeta
per ognuna esistente nel 1946;
in 40 anni, ce ne saranno quattro.
Stiamo avendo problemi adesso a trovare cibo, acqua fresca e pulita,
medicinali e benzina
per sei miliardi e mezzo di persone.
Sarà ancora più dura farlo per nove miliardi.
Utilizziamo più di 5 miliardi di carbone,
più di 30 miliardi di barili d'olio.
Ciò significa cento milioni di barili al giorno.
Quando cerchiamo di trovare processi biologici,
o qualsiasi tipo di processo per rimpiazzarli,
sarà una sfida enorme.
In più dobbiamo tener conto
di tutta l'emissione di CO2 da questi materiali
che finisce nell'atmosfera.
Al giorno d'oggi, grazie alle scoperte scientifiche in tutto il mondo,
abbiamo un database con circa 20 milioni di geni,
e mi piace pensare che siano i componenti progettati per il futuro.
L'industria elettronica possiede solo una dozzina circa di componenti,
e pensate a quante cose diverse sono venute fuori.
I nostri limiti qui sono dati principlamente
dalla realtà biologica
e dalla nostra immaginazione.
Ora abbiamo delle tecniche,
grazie a questi metodi rapidi di sintetizzazione,
in grado di creare ciò che chiamiamo genomica combinatoria.
Siamo in grado di costruire un grosso robot
che può produrre un milione di cromosomi al giorno.
Pensate di processare questi 20 milioni di geni diversi
o di provare ad ottimizzare i processi
per produrre ottano o farmaci,
nuovi vaccini,
possiamo cambiare, grazie a un piccolo team,
e creare più biologia molecolare ora
che negli ultimi 20 anni di scienza.
Ed è semplicemente una selezione standard.
Possiamo scegliere per possibilità di sopravvivenza,
produzione chimica o di carburante,
produzione di vaccini etc.
Questa è un'istantanea
di alcuni software programmati
su cui stiamo lavorando per essere in grado di sederci
e progettare specie al computer.
Beh, non sappiamo necessariamente come saranno.
Sappiamo esattamente com'è il loro codice genetico.
Ora ci stiamo concentrando sui carburanti di quarta generazione.
Avete visto anche voi che estrarre etanolo dal grano
è stato un esperimento finito male.
Abbiamo carburanti di seconda e terza generazione
che usciranno abbastanza presto
dallo zucchero a carburanti di più alto valore
come l'ottano o diversi tipi di butanolo.
Ma l'unico modo in cui la biologia
possa avere un grande impatto senza
aumentare maggiormente il costo del cibo e limitarne la disponibilità
sarebbe trasformare la CO2 in materia prima,
per cui stiamo lavorando per progettare cellule che possano raggiungere questo scopo,
e pensiamo di poter aver i primi carburanti di quarta generazione
in circa 18 mesi.
La luce solare combinata con la CO2 è un metodo--
(Applausi)
ma nelle nostre scoperte in tutto il mondo,
abbiamo trovato diversi metodi.
Questo è un organismo che abbiamo descritto nel 1996.
Vive nell'oceano profondo,
a circa 2500 metri di profondità
alla temperatura di ebollizione dell'acqua.
Crea metano dalla CO2
usando idrogeno molecolare come fonte di energia.
Stiamo cercando di capire se possiamo
incanalare la CO2,
che può facilmente essere trasportata tramite tubi,
convertire quella CO2 in carburante,
per guidare questo processo.
Per cui a breve
pensiamo che potremmo essere in grado di aumentare
ciò che la domanda di base "che cos'è la vita" sia
Noi, veramente--
abbiamo il modesto obiettivo
di rimpiazzare l'intera industria petrolchimica.
(Risate) (Applausi)
Esattamente. Se non puoi farlo da TED, dove puoi?
(Risate)
Diventerebbe una principale fonte di energia.
Inoltre, stiamo lavorando per usare gli stessi metodi
per creare vaccini istantanei.
Avete visto quest'anno con l'influenza,
siamo sempre indietro di un anno e con un dollaro in meno
quando si tratta di trovare il vaccino giusto.
Penso che ciò si possa cambiare
costruendo vaccini combinabili in anticipo.
Ecco come il futuro potrebbe iniziare a sembrare
cambiando, ora, l'albero dell'evoluzione,
accellerando l'evoluzione
con batteri sintetici, archei,
ed infine cellule eucariote.
Siamo a tanto così dal migliorare le persone.
Il nostro scopo è di fare in modo
di vivere abbastanza a lungo per provare a farcela. Grazie mille.
(Applausi)